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Feb 06, 2024

Analyse expérimentale et numérique de Thermo

Date : 26 mai 2023 Auteurs : Daniel Honfi, Johan Schöström, Chiara Bedon et Marcin Kozłowski Source : Fire 2022, 5(4), 124 ; MDPI DOI : https://doi.org/10.3390/fire5040124 Malgré de nombreuses recherches et

Date : 26 mai 2023

Auteurs : Dániel Honfi, Johan Sjöström, Chiara Bedon et Marcin Kozłowski

Source: Incendie 2022, 5(4), 124 ; MDPI

EST CE QUE JE:https://doi.org/10.3390/fire5040124

Malgré de nombreuses recherches et applications, le verre et son utilisation dans les bâtiments restent un défi pour les ingénieurs en raison de sa fragilité inhérente et de ses caractéristiques telles que la sensibilité aux concentrations de contraintes, la réduction de la résistance au fil du temps et de la température, et la rupture due aux contraintes qui peuvent s'accumulent en raison des gradients thermiques. Cet article présente les résultats d'une série de tests originaux réalisés sur des vitres monolithiques de dimensions 500 × 500 mm2 et de différentes épaisseurs, sous exposition à un chauffage radiant.

L'étude de recherche comprend également un modèle de transfert de chaleur unidimensionnel (1D) et un modèle thermomécanique numérique tridimensionnel (3D) qui sont utilisés pour étudier plus en détail les phénomènes observés au cours des expériences. Comme montré, le comportement du verre sous chauffage radiant est assez complexe et confirme la grande vulnérabilité de ce matériau pour les applications du bâtiment. L'utilisabilité et le potentiel des modèles numériques thermomécaniques sont discutés dans le cadre d'un retour d'expérience.

1.1. Arrière-plan

Une tendance récente dans l'architecture moderne est d'offrir une transparence maximale à l'intérieur du bâtiment en réduisant les obstructions visuelles de la charpente et de l'enveloppe [1]. Ce mouvement comprend l'utilisation accrue d'éléments structurels en verre autoportants et de grands panneaux de verre pour la façade des bâtiments.

Le verre s'est rapidement développé d'un remplissage à un matériau structurel, permettant ainsi aux ingénieurs de concevoir et de construire des murs, des poutres, des colonnes, des planchers, des escaliers, etc., et d'utiliser des portées et de grandes zones transparentes qui n'étaient pas possibles auparavant. Un exemple bien connu de maximisation de la transparence est le magasin Apple de la Cinquième Avenue à Manhattan (voir Figure 1). Cependant, la conception structurelle du verre reste un défi, par exemple en raison de sa fragilité inhérente, de sa sensibilité aux concentrations de contraintes, de la réduction de sa résistance au fil du temps et de sa possible rupture thermique [2]. En outre, plusieurs autres problèmes liés à la conception structurelle sûre et économique peuvent être attribués à la dégradation relativement courante des matériaux utilisés en combinaison avec le verre (en raison de fortes variations d'humidité et de température, ou de conditions de fonctionnement défavorables aux vibrations, etc.).

Il existe des procédés et des solutions pour améliorer la robustesse de l'application structurelle du verre, notamment en augmentant la résistance du verre, comme le traitement thermique, la précontrainte, le polissage des bords, et en prévenant ou en atténuant les risques de rupture fragile, par exemple par des détails soignés, stratification, éléments composites, systèmes de sauvegarde, fourniture de chemins de charge alternatifs, etc. [3]. Les situations exceptionnelles, telles qu'une température élevée lors d'un incendie dans un bâtiment, sont difficiles et nécessitent une réflexion plus approfondie sur ces mesures de robustesse pour garantir la sécurité des occupants du bâtiment et permettre l'évacuation [4]. La principale stratégie de conception consiste à limiter les contraintes exercées sur le matériau et à réduire les conséquences de la rupture, car la rupture des vitres ne peut être complètement évitée. Pourtant, il est important de comprendre dans quelles circonstances le verre peut se fissurer afin de développer une base rationnelle pour des situations de conception extrêmes.

1.2. Objectifs, portée et limites

Cet article se concentre sur l'analyse expérimentale et numérique du comportement thermomécanique de panneaux de verre monolithiques exposés à un chauffage radiant. Son objectif est d'aider à combler les lacunes dans les connaissances mentionnées dans la section 2 et de faire un premier pas vers le développement d'une méthodologie pour une conception et une évaluation structurelles plus rationnelles au feu pour les vitrages architecturaux. Cela inclut une approche dans laquelle les distributions de température attendues dans la structure sont simulées via une modélisation numérique et les contraintes correspondantes sont calculées à l'aide d'un modèle thermomécanique par éléments finis (EF). Les contraintes calculées peuvent ensuite être vérifiées par rapport à des critères de conception spécifiques pour décider si la sécurité contre la rupture thermique est remplie. L’un des principaux avantages de cette approche réside dans l’analyse de la répartition de la température dans l’ensemble de l’élément structurel et dans la possibilité de combiner les effets des actions thermiques et mécaniques.